邢增山

中海油文昌天然氣發(fā)電有限公司，中國·海南 文昌 571300

如今，隨著中國科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，中國能源工業(yè)也取得了長足發(fā)展。能源的有效和清潔利用是可持續(xù)社會和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要?jiǎng)恿?，由于?dāng)今能源結(jié)構(gòu)正在發(fā)生根本變化，因此高效燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電技術(shù)的發(fā)展具有很高的戰(zhàn)略需求。論文簡要介紹了燃?xì)廨啓C(jī)，分析新型燃?xì)廨啓C(jī)再熱聯(lián)合循環(huán)發(fā)電的特點(diǎn)，并對其新型天然氣輪機(jī)再熱聯(lián)合循環(huán)發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行介紹，以期對相關(guān)領(lǐng)域具有借鑒意義。

新型燃?xì)廨啓C(jī)；再熱聯(lián)合循環(huán)發(fā)電；關(guān)鍵技術(shù)；分析

1 引言

燃?xì)廨啓C(jī)是一種復(fù)雜的動力設(shè)備，是許多學(xué)術(shù)理論研究的共同成果，目前，燃?xì)廨啓C(jī)及其聯(lián)合循環(huán)具有排放低，效率高的特點(diǎn)?；趪业慕?jīng)濟(jì)發(fā)展戰(zhàn)略和國際競爭優(yōu)勢，先進(jìn)的燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)是一個(gè)國家經(jīng)濟(jì)和技術(shù)實(shí)力的象征。由于傳統(tǒng)的燃?xì)廨啓C(jī)功率低，在工業(yè)過程中，組合發(fā)電技術(shù)是一種組合發(fā)電裝置，在該組合發(fā)電裝置上疊加了來自燃?xì)廨啓C(jī)、蒸汽輪機(jī)以及動力傳遞裝置，與常規(guī)蒸汽系統(tǒng)相比，具有發(fā)電效率高、成本低、性能好等優(yōu)點(diǎn)[1]。

2 燃?xì)廨啓C(jī)概述

壓氣機(jī)通過從外界大氣環(huán)境吸入空氣，并逐級壓縮使之增壓，同時(shí)提高空氣溫度；然后將壓縮空氣送至燃燒室，與噴入的燃料混合后燃燒生成高溫高壓的氣體；接著進(jìn)入透平中膨脹做功，驅(qū)動透平和外負(fù)荷轉(zhuǎn)子一起高速旋轉(zhuǎn)；最終，將部分化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械功并輸出電力。廢氣從透平中排出，自然散熱到大氣中，使得燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能，并促進(jìn)熱能向機(jī)械能轉(zhuǎn)化，這就是所謂的燃?xì)廨啓C(jī)。它是通過壓氣機(jī)、燃燒室、燃?xì)馔钙饺齻€(gè)組件組裝而成，它們通過簡單的循環(huán)流程來完成工作。

3 新型燃?xì)廨啓C(jī)再熱聯(lián)合循環(huán)發(fā)電的特點(diǎn)

論文所說的新型燃?xì)廨啓C(jī)采用了單循環(huán)模式，有燃?xì)廨啓C(jī)和蒸汽輪機(jī)兩個(gè)部分。在燃?xì)獠糠?，空氣?jīng)過中壓壓氣機(jī)后，進(jìn)入冷卻器冷卻處理，再進(jìn)入燃燒室攜帶高溫燃?xì)庾龉ΑＥ懦龅囊徊糠秩細(xì)鈩t進(jìn)入中壓燃燒室繼續(xù)燃燒再加熱，并將其預(yù)熱后送至鍋爐。蒸汽系統(tǒng)采用了三壓再熱循環(huán)方案，即低、中、高三個(gè)壓力級別來促進(jìn)聯(lián)合循環(huán)效率提升[2]。

燃?xì)廨啓C(jī)的技術(shù)是以燃料為基礎(chǔ)，可用的燃料包括天然氣、煤氣化后合成的可燃?xì)怏w和一些液體燃料。隨著燃?xì)廨啓C(jī)生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，在不影響經(jīng)濟(jì)發(fā)展的情況下，聯(lián)合循環(huán)的熱效率可以達(dá)到60%。當(dāng)前，單循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)的熱效率可以達(dá)到約40%，當(dāng)使用大容量，超臨界蒸汽輪機(jī)單元時(shí)，循環(huán)的熱效率僅增加45%至47.7%。為了進(jìn)一步提高發(fā)電系統(tǒng)的效率，提出了一種新型燃?xì)廨啓C(jī)再熱聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)。

4 新型燃?xì)廨啓C(jī)再熱聯(lián)合循環(huán)發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)

4.1 聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)

早期，聯(lián)合循環(huán)發(fā)電的關(guān)鍵點(diǎn)在于蒸汽循環(huán)，隨著時(shí)間的推移，人們開始使用燃輪機(jī)來替換它。這種做法增大了發(fā)動機(jī)的內(nèi)部空間，但沒能帶來顯著的性能提升。20 年來，采用燃?xì)廨啓C(jī)的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)，使溫度達(dá)到了60%的提高，這個(gè)改善幅度比傳統(tǒng)的火力發(fā)電機(jī)組的性能更高。到20 世紀(jì)末，這種新型的發(fā)電方式可以滿足高功率的需求，而且可以生產(chǎn)出200MW 以上的機(jī)組，從而迅速占據(jù)市場份額。F 級燃?xì)廨啓C(jī)是一種備受贊譽(yù)的機(jī)器，它擁有卓越的特點(diǎn)，如低噪聲、低振動、低溫、低壓、低溫等，這些特點(diǎn)都是它今天獲得如此巨大成功的原因。此外，它還擁有卓越的參數(shù)、超強(qiáng)的功率，這些特點(diǎn)都是它們在實(shí)踐應(yīng)用時(shí)，滿足不同負(fù)載要求、滿足不同電力需求時(shí)不可或缺的因素。經(jīng)過一項(xiàng)全球性的調(diào)查，美國的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)正迅猛崛起，以燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的使用率超過50%，這一趨勢正迅猛地影響著歐洲國家德國，德國的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電使用率甚至超過70%，這一數(shù)字令人震撼。

4.2 燃?xì)廨啓C(jī)燃燒技術(shù)

燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒技術(shù)旨在提高效率，并通過改進(jìn)燃燒室的設(shè)計(jì)和應(yīng)用方案來提高效率。目前，燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒室設(shè)計(jì)已經(jīng)發(fā)展到了一種新的水平，它使用了多種不同的噴嘴和旋流器，并且能夠更好地控制燃料的流動。隨著技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)代燃燒室設(shè)計(jì)采用了旋流器和噴嘴的結(jié)合，使得燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒能力和效率得到了顯著提升，而且可以通過控制燃燒溫度來實(shí)現(xiàn)對火焰的穩(wěn)定控制，從而解決了傳統(tǒng)燃燒室的混亂、不穩(wěn)定等問題，使得燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)展得以更加可靠。對于整個(gè)燃?xì)廨啓C(jī)，研究技術(shù)創(chuàng)新以控制平均吸熱溫度并提高循環(huán)容量的循環(huán)效率是一個(gè)難題。目前正在研究的高壓比重再加熱技術(shù)是一種提高循環(huán)效率的新技術(shù)。燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)備由國內(nèi)外知名制造美國通用電氣公司（GE）造，在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中，設(shè)備單元可以在單軸的幫助下實(shí)現(xiàn)連續(xù)再加熱，然后通過再加熱原理將燃燒室連接起來，實(shí)現(xiàn)循環(huán)。壓氣機(jī)是燃?xì)廨啓C(jī)的關(guān)鍵組成部分，它在燃燒室的發(fā)展中起著至關(guān)重要的作用。目前，F(xiàn) 級燃?xì)廨啓C(jī)裝置已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，而壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)也遵循著中等負(fù)荷、低負(fù)荷的原則，以此來有效地控制燃?xì)廨啓C(jī)的運(yùn)行容量。

在燃油輪機(jī)的運(yùn)行過程中，通過有效的控制，可以有效地改善它的平衡性，以及更好地利用它的循環(huán)能量，這一點(diǎn)在科學(xué)家們的努力下已經(jīng)成為一個(gè)不可逾越的挑戰(zhàn)。近年來，高壓比再熱技術(shù)已成為一種有力的改善燃油輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)性能的技術(shù)，其標(biāo)志性的型號有g(shù)t-6 型燃油輪機(jī)，它采用了領(lǐng)先的燃油輪機(jī)系統(tǒng)，通過單軸再熱，將燃油輪機(jī)轉(zhuǎn)移到燃燒室，使燃油輪機(jī)能夠有效地再次燃燒，達(dá)到最佳的燃油輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)性能。經(jīng)過改進(jìn)的三菱公司的燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組，其性能顯著改善，不僅可以實(shí)現(xiàn)更快發(fā)動，而且還可以實(shí)現(xiàn)更好的熱效率。該公司所生產(chǎn)的燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組設(shè)備也具有了再熱能力，并獲取了名為“機(jī)群”的專利，其特殊的雙層燃燒室結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)更快的發(fā)動，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)更好的節(jié)能。

4.3 整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)

IGCC 作為一種全新的能源轉(zhuǎn)換方式，始自1972 年德國的lunen，它的kellerman 發(fā)動機(jī)組裝有五臺lurgi 固定床氣化爐，以及由SIEMENS 公司提供的一套先進(jìn)的燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)，其發(fā)動機(jī)的總功率高達(dá)170MW。這也標(biāo)志著IGCC（全能源轉(zhuǎn)換）的發(fā)展史。德國kellerman 電廠一直都是IGCC技術(shù)的領(lǐng)軍人物，盡管早期的技術(shù)條件不足，也沒有足夠的應(yīng)用創(chuàng)新，使得該電廠無法繼續(xù)使用，甚至不得不關(guān)閉。盡管如此，kellerman 電廠的不懈努力，使得該電廠的成果不僅僅局限于此，而且還為全球的煤炭化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)奠定了基礎(chǔ)，并且也為全球的近代工業(yè)化進(jìn)程帶來了一個(gè)重大的能源清潔發(fā)電的機(jī)遇。美洲加州的cool water 電站借鑒德國kellerman 的成功案例，采用先進(jìn)的Texaco 氣化爐，大大提高了清潔能源的使用效率，為推動可持續(xù)能源的發(fā)揮做出了重要貢獻(xiàn)。隨著IGCC 技術(shù)的迅猛發(fā)展，全球各地紛紛加速推動IGCC 示范電站的建立，并對其相關(guān)的發(fā)電技術(shù)產(chǎn)品進(jìn)行升級。20 世紀(jì)80 年代，中國也積極推動IGCC 技術(shù)的研究與應(yīng)用，并在此基礎(chǔ)上，撥出巨額的經(jīng)費(fèi)，打造出一系列具有影響力的科學(xué)研究與應(yīng)用項(xiàng)目。華能天津示范電站被譽(yù)為IGCC 電站，它以先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念和完善的運(yùn)行管理系統(tǒng)，融入傳統(tǒng)燃料電池和新型能源轉(zhuǎn)換器，形成多聯(lián)產(chǎn)機(jī)組，既可以有效地提升電能產(chǎn)出，又能夠有效地降低電價(jià)，從而達(dá)到節(jié)能環(huán)保、可持續(xù)發(fā)電、可再利用能源等多種目標(biāo)。

煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)需要多臺機(jī)組氣化爐設(shè)備和燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)備。但由于技術(shù)條件的限制，這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用效果并不顯著，但其試驗(yàn)為循環(huán)發(fā)電技術(shù)的發(fā)展提供了借鑒。在快速發(fā)展的時(shí)代，煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠的建設(shè)在世界范圍內(nèi)已大大增加，中國將其作為中心研究課題，并投入了大量的人力和物力來建立科學(xué)研究項(xiàng)目。采用煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠技術(shù)的發(fā)電廠，將現(xiàn)代服務(wù)技術(shù)與燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)相結(jié)合，形成了煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組，大大提高了發(fā)電效率，有效控制了發(fā)電成本[3]。

5 聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用和建議

燃汽輪機(jī)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)的發(fā)展是世界各國都十分重視的問題，這項(xiàng)技術(shù)降低每千瓦的成本，提高燃?xì)廨啓C(jī)的進(jìn)氣溫度，提高單臺機(jī)組的熱效率。發(fā)電廠的性能和熱效率得到了顯著提高。在正確的政策引導(dǎo)下，聯(lián)合循環(huán)火力發(fā)電得到了穩(wěn)步快速的發(fā)展。歐盟聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組在總裝機(jī)容量中的份額仍在上升。聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)具有高效，清潔的特點(diǎn)，符合21 世紀(jì)發(fā)電技術(shù)的發(fā)展方向。但是，中國聯(lián)合循環(huán)發(fā)電項(xiàng)目的運(yùn)營成本仍高于傳統(tǒng)燃煤電。因此，有必要將國家指導(dǎo)方針與市場機(jī)制結(jié)合起來，并確定某些優(yōu)惠政策。具體建議如下：推進(jìn)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)建設(shè)，通過建設(shè)一批示范電廠，推廣聯(lián)合循環(huán)技術(shù)，有效提高聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠設(shè)備的效率；電價(jià)對經(jīng)濟(jì)效益有重大影響。為了提高聯(lián)合循環(huán)的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，國家應(yīng)采取政策，鼓勵(lì)發(fā)電廠創(chuàng)新技術(shù)。

6 燃?xì)廨啓C(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

優(yōu)化燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)設(shè)計(jì)主要考慮以下因素：燃?xì)廨啓C(jī)的熱性能特征。熱量輸出是燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)展的方向，其應(yīng)用的前提是燃?xì)廨啓C(jī)出廠時(shí)較低的額定功率，因此充分考慮待機(jī)模式下的熱量輸出和燃料消耗，選擇負(fù)荷加速性能好、熱效率高的機(jī)組；燃?xì)廨啓C(jī)的經(jīng)濟(jì)性。隨著市場營銷的深入，選擇燃?xì)廨啓C(jī)時(shí)必須考慮燃?xì)廨啓C(jī)的價(jià)格。在給定相同的燃?xì)廨啓C(jī)，功率和效率的情況下，燃?xì)廨啓C(jī)的成本通常較高，但是相應(yīng)地降低能耗，更加環(huán)保，這就要求電廠綜合考慮自身的需求和資金實(shí)力，選擇合適的模式；燃?xì)廨啓C(jī)的可用性[4]?？捎眯浴⒖煽啃院途S修性反映了燃?xì)廨啓C(jī)裝置規(guī)劃、制造和運(yùn)行服務(wù)的整體質(zhì)量，峰值負(fù)載單元更加關(guān)注啟動可靠性，發(fā)電廠必須借助該可靠性來記錄其影響因素；發(fā)電廠的負(fù)荷要求。發(fā)電廠的容量和位置受地理區(qū)域，區(qū)域供電計(jì)劃和用戶要求的影響。一般來說，在電網(wǎng)建設(shè)時(shí)，電廠應(yīng)在燃料和電力需求充足的前提下，優(yōu)先考慮大容量的循環(huán)機(jī)組，以保證降低發(fā)電成本和初期投資。

7 中國燃?xì)廨啓C(jī)和聯(lián)合循環(huán)技術(shù)發(fā)展的政策建議

結(jié)合中國的實(shí)際情況，可以發(fā)現(xiàn)主要的障礙是天然氣成本。從目前的情況看，中國聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠中存在著大量的調(diào)峰，因此可以在此基礎(chǔ)上發(fā)展調(diào)峰。此外，政府應(yīng)放松對燃?xì)廨啓C(jī)燃料的進(jìn)口政策，引進(jìn)和學(xué)習(xí)燃?xì)廨啓C(jī)生產(chǎn)技術(shù)。中國燃?xì)廨啓C(jī)行業(yè)雖然在一定程度上影響了中國的發(fā)展，但與發(fā)達(dá)國家相比仍有較大差距，這也將為中國的快速發(fā)展提供機(jī)遇。聯(lián)合循環(huán)技術(shù)作為主要的發(fā)電技術(shù)，為了進(jìn)步和發(fā)展，我們應(yīng)該向發(fā)達(dá)國家學(xué)習(xí)，提高我國的技術(shù)水平。

8 結(jié)語

綜上所述，新型燃?xì)廨啓C(jī)再熱聯(lián)合循環(huán)發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)主要包括聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)、整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)、燃?xì)廨啓C(jī)燃燒技術(shù)幾種類型，通過將上述技術(shù)應(yīng)用于新型燃?xì)廨啓C(jī)的運(yùn)行過程中，可以大大提高新型燃?xì)廨啓C(jī)的效率，從而更好地實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的目標(biāo)。這些先進(jìn)的技術(shù)不僅可以滿足能源日益增長的需求，而且還能實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的雙重效益，從而更好地推動社會的可持續(xù)發(fā)展，促進(jìn)工業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境保護(hù)的有機(jī)結(jié)合，為節(jié)能環(huán)保貢獻(xiàn)一分力量。